專利名稱：三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)新穎的調(diào)節(jié)空間位置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確切地說，涉及一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于金屬加工機(jī)床，以及力與力矩的傳感器等領(lǐng)域。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于兩個(gè)剛性物體相對位置的調(diào)節(jié)。一般情況下兩個(gè)剛體的相對位置可以采用沿x，y，z軸方向的三個(gè)移動(dòng)和繞x，y，z軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來表示，共六個(gè)自由度。并聯(lián)機(jī)構(gòu)起源于斯圖爾特平臺(tái)機(jī)構(gòu)(StewartPlatform)，參見

圖1，圖2，該機(jī)構(gòu)通常是由3-6根可伸縮調(diào)節(jié)的桿件1’，以及在這些桿件的兩端分別用球鉸(即球面付)2’或萬向連軸節(jié)(即虎各鉸或球銷付或轉(zhuǎn)動(dòng)付鉸鏈)連接兩個(gè)剛體3’、4’所構(gòu)成。通常，該兩個(gè)剛體中的一個(gè)是靜止不動(dòng)的，被稱為靜平臺(tái)或靜臺(tái)體3’一般作為機(jī)架使用，另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)的，可以完成各種操作，通常稱為動(dòng)平臺(tái)或動(dòng)臺(tái)體4’。最初的斯圖爾特平臺(tái)機(jī)構(gòu)中，其動(dòng)、靜兩個(gè)剛體都是平面的，或者說所有聯(lián)接桿件1’與剛體3’或桿件1’與剛體4’的鉸鏈2’都處在一個(gè)平面上。后來開始出現(xiàn)使用空間的臺(tái)體式機(jī)構(gòu)，即鉸鏈2’不都在同一平面上，這是一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工業(yè)上有很多應(yīng)用，如做機(jī)械手，位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，力與力矩的傳感器，游樂場的動(dòng)感平臺(tái)等等。最近人們用它來做虛擬軸機(jī)床或簡稱虛軸機(jī)床。這樣的機(jī)床具有很多特殊的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單，剛度大、控制精度高、傳動(dòng)速度快等，具有很高的性能價(jià)格比，被稱為21世紀(jì)的機(jī)床。
對于象虛軸機(jī)床、力與力矩的傳感器、位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等應(yīng)用場合，采用什么樣的位置調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)，才能得到綜合性能盡可能優(yōu)良的機(jī)構(gòu)，是一個(gè)十分重要的問題?，F(xiàn)在，人們普遍認(rèn)為從自變量為6個(gè)驅(qū)動(dòng)變量到函數(shù)為動(dòng)臺(tái)體位置姿態(tài)6個(gè)變量之間轉(zhuǎn)換的雅可比行列式的條件數(shù)越小越好，理論上最小條件數(shù)為1。然而人們對于什么樣的機(jī)構(gòu)才能滿足其條件數(shù)為1，也就是說并聯(lián)機(jī)構(gòu)中剛體上的鉸鏈在空間應(yīng)該如何分布才是最合理，并不清楚。甚至到目前為止，還沒有得到確切的結(jié)論。
本發(fā)明的主要目的是提供一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；也就是提供一種滿足上述雅可比行列式的條件數(shù)為最小的臺(tái)體式機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的主要目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該機(jī)構(gòu)包括有靜臺(tái)體，動(dòng)臺(tái)體和六根驅(qū)動(dòng)桿，該六根驅(qū)動(dòng)的長度伸縮可變，且其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)桿都通過其兩端各自的球鉸或萬向節(jié)分別與靜臺(tái)體、動(dòng)臺(tái)體相鉸接，其特征在于上述六根驅(qū)動(dòng)桿的方向分別位于x，y，z三個(gè)正交方向或近似正交的方向，且每個(gè)方向各有兩根驅(qū)動(dòng)桿。
上述六根驅(qū)動(dòng)桿與動(dòng)臺(tái)體鉸接的六個(gè)球鉸可以分別位于六面體的六個(gè)面的中心位置。
上述六根驅(qū)動(dòng)桿可以兩兩成組地分別鉸接在上述動(dòng)臺(tái)體的三個(gè)呈x，y，z正交方向的表面上。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、特征及功效。
圖1是一種斯圖爾特平臺(tái)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是另一種斯圖爾特平臺(tái)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的動(dòng)臺(tái)體與驅(qū)動(dòng)桿組合起來的一種實(shí)施例示意圖。
圖4是圖3中增加靜臺(tái)體后的示意圖。
圖5是本發(fā)明的動(dòng)臺(tái)體與驅(qū)動(dòng)桿組合起來的另一種實(shí)施例示意圖。
圖6是圖5中增加靜臺(tái)體后的示意圖。
圖7是本發(fā)明的又一種實(shí)施例示意圖。該機(jī)構(gòu)經(jīng)過一定角度的旋轉(zhuǎn)，使得其對角線指向豎直方向，此時(shí)驅(qū)動(dòng)桿件不再與x，y，z軸平行。
圖8是本發(fā)明的再一種實(shí)施例示意圖。
參見圖3、圖4所示的本發(fā)明的一種實(shí)施例示意圖。本發(fā)明是一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其包括有靜臺(tái)體3，動(dòng)臺(tái)體4和六根驅(qū)動(dòng)桿1，該六根驅(qū)動(dòng)桿1的長度都是伸縮可變的，且其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)桿1都通過其兩端各自的球鉸2分別與靜臺(tái)體3、動(dòng)臺(tái)體4相鉸接，其特點(diǎn)是上述六根驅(qū)動(dòng)桿1分別位于x，y，z三個(gè)正交方向，且每個(gè)方向各有兩根驅(qū)動(dòng)桿1。
圖3所示上述位于六根驅(qū)動(dòng)桿1空間中心位置的動(dòng)臺(tái)體4是個(gè)六面體，且該六根驅(qū)動(dòng)桿1中的每一個(gè)球鉸2都分別位于上述動(dòng)臺(tái)體4的各個(gè)表面上。動(dòng)臺(tái)體4通過六個(gè)球鉸2與六根長度可變的驅(qū)動(dòng)桿1相聯(lián)接，該六根驅(qū)動(dòng)桿1再通過其另一端的另外六個(gè)球鉸2與靜臺(tái)體3相聯(lián)接。圖4所示的長條狀的剛體即表示靜臺(tái)體3或機(jī)架，在x，y，z三個(gè)方向的每個(gè)方向上都有兩根驅(qū)動(dòng)桿。當(dāng)動(dòng)臺(tái)體在中心位置即圖3或圖4所示位置時(shí)，上述x，y，z三個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)桿互相正交，其條件數(shù)為1，即達(dá)到了雅可比行列式的最小值。在這個(gè)最小值附近，即x，y，z三個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)桿互相呈近似正交時(shí)，雖然其條件數(shù)略大于1但其值仍然較小。因此采用這種機(jī)構(gòu)具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)。
首先本發(fā)明的機(jī)構(gòu)在其中心位置上，對于x，y，z軸方向的三個(gè)移動(dòng)和繞x，y，z軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)互相解耦。眾所周知，一般情況下，兩個(gè)剛體的相對位置可以采用沿x，y，z三個(gè)方向的移動(dòng)和繞x，y，z三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來表示，共六個(gè)自由度。在一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，當(dāng)其中某個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)改變時(shí)，會(huì)同時(shí)引起動(dòng)臺(tái)體的另外兩個(gè)方向的移動(dòng)和動(dòng)臺(tái)體的轉(zhuǎn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為運(yùn)動(dòng)之間的耦合，例如當(dāng)希望動(dòng)臺(tái)體純粹沿x方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅需要沿x軸方向的驅(qū)動(dòng)器工作，而且需要y，z兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)器同時(shí)協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)；或者說僅有一、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作不能得到純粹沿x方向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的臺(tái)體式機(jī)構(gòu)在其中心位置上，由于x，y，z三軸互相垂直正交，因此對x，y，z三軸是解耦的。也就是說，動(dòng)臺(tái)體沿x軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，另外兩個(gè)方向y，z的四根驅(qū)動(dòng)器可以不調(diào)節(jié)或很少調(diào)節(jié)即可。
本發(fā)明的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在實(shí)際使用時(shí)，是很方便的。當(dāng)以同速、同方向調(diào)節(jié)x軸向的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)，動(dòng)臺(tái)體沿x軸方向平動(dòng)。當(dāng)該兩個(gè)驅(qū)動(dòng)同速反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)臺(tái)體則繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檫@兩個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)而引起其他軸向的運(yùn)動(dòng)量很小或?yàn)榱?，所以為了得到純粹的沿x軸的移動(dòng)或繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其他兩個(gè)方向的四個(gè)驅(qū)動(dòng)桿或驅(qū)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)量可以很小或?yàn)榱?即高階無窮小)。并且，當(dāng)沿y軸或z軸移動(dòng)，或繞x軸或y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，情況完全類似。所以，本發(fā)明的動(dòng)臺(tái)體在上述中心位置附近，三個(gè)方向近似解耦。因此在一些要求不嚴(yán)格的場合，各個(gè)方向的位置和轉(zhuǎn)角可以分別調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)很方便。另外，由于三個(gè)方向的調(diào)節(jié)呈正交或近似正交，各個(gè)方向的對于調(diào)節(jié)的靈敏度也比較均衡。
其次，把機(jī)構(gòu)中的六個(gè)驅(qū)動(dòng)桿改為長度固定的桿，并在每個(gè)驅(qū)動(dòng)桿上面加上一個(gè)傳感器，可以把本發(fā)明變換為一個(gè)力與力矩的傳感器。這種傳感器可以自然地把三個(gè)方向的力和力矩分開。例如當(dāng)只有x軸方向受力時(shí)，則僅沿x軸的兩個(gè)傳感器有輸出，其值為兩個(gè)傳感器的和。當(dāng)只有繞z軸有力矩時(shí)，則僅沿x軸的一對傳感器有輸出，其值為該對傳感器之差乘以該對驅(qū)動(dòng)桿之間的距離。由于動(dòng)臺(tái)體的位移量很小，所以具有相當(dāng)高的精度。
本發(fā)明的機(jī)構(gòu)如果用在虛擬軸數(shù)控機(jī)床上也有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槠錀l件數(shù)近似為1，屬于最理想的狀態(tài)。因此在同樣情況下，加工精度高，機(jī)床工作空間大，可以達(dá)到的工作速度高等等，是一種具有很好應(yīng)用前景的機(jī)床結(jié)構(gòu)形式。
由于本發(fā)明的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的位置是在動(dòng)臺(tái)體的中心，處于幾個(gè)球鉸的包圍之中，故作為虛軸機(jī)床或其他用途時(shí)，應(yīng)用不甚方便。因此本發(fā)明可以作些改進(jìn)，即將上述六根驅(qū)動(dòng)桿兩兩成組的鉸接在上述動(dòng)臺(tái)體的三個(gè)呈x，y，z正交的表面上，參見圖5，圖6所示。其中圖5是動(dòng)臺(tái)體4和驅(qū)動(dòng)桿1以及球鉸2的結(jié)構(gòu)布局示意圖，加上靜臺(tái)體3后，則如圖6所示。此時(shí)，動(dòng)臺(tái)體4位于該六根驅(qū)動(dòng)桿1的一側(cè)，采用該種結(jié)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)臺(tái)體在其中心位置時(shí)，雅可比行列式的條件數(shù)仍為1。但在作純轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其調(diào)節(jié)規(guī)律是不同的。
如果把本發(fā)明的機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使動(dòng)臺(tái)體的一條對角線轉(zhuǎn)成豎直方向，且把靜臺(tái)體稍做改變，參見圖7?？梢钥闯鏊c現(xiàn)在的虛軸機(jī)床已經(jīng)很相似了。只不過其驅(qū)動(dòng)桿的方向是互相正交或近似正交的，并且球鉸的分布是特殊的。正是由于具有這些特點(diǎn)，使得機(jī)床具有加工精度高，機(jī)床工作空間大，可以達(dá)到的工作速度高等優(yōu)點(diǎn)。如果把z軸選擇為豎直方向，則三個(gè)正交方向不再是x，y，z軸，而僅是在中心位置時(shí)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿方向了。
本發(fā)明的機(jī)構(gòu)還可以有其它變形。如圖8所示，每對球鉸2之間的六個(gè)腿1的長度是固定的，并把調(diào)節(jié)長度的六個(gè)滑動(dòng)副5及其驅(qū)動(dòng)桿安裝在機(jī)架3上，同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)動(dòng)臺(tái)體4位置的目的。此時(shí)，自由度仍然是六個(gè)，仍然保持了在中心位置條件數(shù)為1的優(yōu)點(diǎn)，但在計(jì)算其正反解時(shí)，計(jì)算方法、計(jì)算公式是不相同的。
權(quán)利要求
1.一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括有靜臺(tái)體，動(dòng)臺(tái)體和六根驅(qū)動(dòng)桿，該六根驅(qū)動(dòng)的長度伸縮可變，且其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)桿都通過其兩端各自的球鉸或萬向節(jié)分別與靜臺(tái)體、動(dòng)臺(tái)體相鉸接，其特征在于上述六根驅(qū)動(dòng)桿的方向分別位于x，y，z三個(gè)正交方向或近似正交的方向，且每個(gè)方向各有兩根驅(qū)動(dòng)桿。
2.如權(quán)利要求1所述的三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于上述六根驅(qū)動(dòng)桿與動(dòng)臺(tái)體鉸接的六個(gè)球鉸可以分別位于六面體的六個(gè)面的中心位置。
3.如權(quán)利要求1所述的三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于上述六根驅(qū)動(dòng)桿可以兩兩成組地分別鉸接在上述動(dòng)臺(tái)體的三個(gè)呈x，y，z正交方向的表面上。
全文摘要
一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu);包括有:靜臺(tái)體,動(dòng)臺(tái)體和六根驅(qū)動(dòng)桿,該六根驅(qū)動(dòng)桿的長度伸縮可變,且其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)桿都通過其兩端各自的球鉸分別與靜臺(tái)體、動(dòng)臺(tái)體相鉸接的,其特征在于:上述六根驅(qū)動(dòng)桿分別位于X、Y、Z三個(gè)正交或近似正交的方向,且每個(gè)方向各有兩根驅(qū)動(dòng)桿。動(dòng)臺(tái)體可以位于該六根驅(qū)動(dòng)桿的空間中心位置或位于該六根驅(qū)動(dòng)桿的上部或下部。當(dāng)動(dòng)臺(tái)體處在其中心位置時(shí),其x、y、z三軸是解耦的,所以調(diào)節(jié)簡單,控制容易,用途廣泛。
文檔編號G01L5/00GK1263807SQ0010290
公開日2000年8月23日 申請日期2000年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者廖啟征, 粱崇高 申請人:北京郵電大學(xué)